抽油機井桿柱受力及防偏磨方法研究

孟慎梅 李路民 李兆寒(勝利油田濱南采油廠 山東濱州 256600)

前言

隨著聚驅生產規模的擴大，抽油機井舉升含聚液體過程中存在的問題也越來越突出。主要是隨著含聚濃度上升，粘滯阻力增大，導致桿管偏磨，脫接器壞等故障頻繁發生，從而造成抽油機井檢泵周期大幅縮短，檢泵率明顯增加，檢泵周期由水驅時的500-600天下降至聚驅的200天左右。由于檢泵周期變短，油井生產維護工作量增大，制約了聚驅井經濟效益的進一步提高。

一、聚驅抽油機井桿柱受力分析

抽油系統抽油桿帶動柱塞在抽油過程中，上沖程時，抽油桿由于提升液體重量，使抽油桿處于受拉狀態，若井筒相對較直，抽油桿與油管間不會產生摩擦，而下沖程情況就不同了，從圖-1受力模型分析，有如下幾個主要力作用于抽油桿-柱塞系統：

F1：抽油桿自重（包括柱塞）；

F2：油管內作用于柱塞環型面積上的液柱壓力；

F3：柱塞底部液體對其作用力；

F4：含聚合物的粘彈性流體對抽油桿柱的法向作用力；

F5：桿柱接箍及扶正器在抽油桿運動時所受的液體阻力；

F6：泵筒與柱塞內的摩擦力；

具體分析如下：

桿柱在抽油下行程中，是在這幾種力的合力作用下，其中F1、F2的方向是向下的：F3、F5、F6，后是向上的，而F4是繞抽油桿軸線不均勻分布的。

F1的力可以根據抽油桿柱的長度與柱塞的重量精確地計算出來：F2可以計算出環型面以上液體的重量，F3柱塞底部的液體對柱塞的作用力，當柱塞下行時，固定凡爾關閉，游動凡爾打開，因此F3力的大小只是抽油桿截面與泵深處壓力乘積，F5由抽油桿接箍面積與抽油桿橫截面積之差的環型面積及扶正器與抽油桿橫截面積之差的累加決定。

F4由于含聚合物液體的濃度等物理、化學成份各井不同，因此其粘彈性不同，桿柱的法向力也不盡相同。

上述各力可以通過理論計算求得，但其中個別的力計算很繁瑣，因此可以采用實驗的方法測量，再進行加權平均計算。例如F4可以在室內做模擬試驗。

取一個透明的量筒，在其內放一些聚合物液體，將其放置在水平的桌面上，再取一根有一定質量的金屬圓棒，在量筒中心線的上方垂直自然投放到量筒之中，觀察到金屬棒在聚合物液體中下落過程，逐漸向量筒壁靠近，最終貼于量筒壁之上，若將量筒內的液體晃動后再放置在桌面上，重新投放金屬棒，觀察到的現象與前次無大的區別，只是金屬棒與筒壁相貼位置有了變化。這說明了聚合物液體對桿柱的法向力在圓周上是不均勻分布的，桿柱偏向于受力相對較小的一面，并逐漸向管壁靠攏，這是抽油機井中桿管偏磨造成桿管磨斷的另一個因素。

還有一個使桿管偏磨的主要因素來自于柱塞與泵筒之間的摩擦力，特別是含聚合物液體的粘彈性，增大了柱塞與泵筒之間的摩擦系數，也就增大了摩擦力。

二、防偏磨方法探討：

1.桿柱加重

目前油田正在試驗的有兩種桿柱加重方法，其一是將抽油桿自身加重（桿柱下部直接接加重桿），通過實驗證明仍然存在著桿柱彎曲偏磨的問題。另一種在柱塞上面抽油桿外加上加重砣。將加重砣直接套在抽油桿上，重力直接作用在柱塞的上端，使所有的抽油桿都處于受拉狀態，防止了彎曲偏磨。另一方面，由于加重降低了桿柱交變應力的應力幅，也就是說，桿柱所受的最大應力和最小應力之差縮小，降低了交變應力。

2.改造抽油泵

抽油泵的改造可從兩個方面去考慮，一是結構及尺寸，既然柱塞與泵筒間的摩擦是一個主要因素，可以考慮更換柱塞與泵筒表面的涂層材料，還可以改變間隙尺寸，這樣均可達到降低摩擦的目的。

(1)抽油桿接箍及扶正器截面涂上較光滑的表面涂層，減小運動阻力。

(2)扶正器外型進行改造，比如做成流線型，減少沖擊阻力。

(3)扶正器布置合理優化及配置，盡可能減少桿由于扶正器不合理造成的彎曲。

3.使用輕質抽油桿代替現有抽油桿

由于鋼絲繩、碳纖維抽油桿、玻璃鋼抽油桿本身重量輕，在保持抽油機懸點載荷不變的條件下，可以在下部加相對較重的加重桿，從而大幅降低中和點，達到延長檢泵周期的目的。

4.使用提高采出液溫度方法降低粘度。

聚合物溶液的粘度隨著溫度的升高而降低（如圖4）。在相同條件下，聚合物溶液的溫度越高，其粘度越低。通過實驗證明在30℃~60℃區間內，溫度升高粘度顯著下降，我們可以通過電加熱油管的方法來控制采出液的溫度，從而降低采出液的粘度，減小桿柱運行的粘滯阻力，達到延長檢泵周期的目的。

結論：

1、正確分析桿柱受力狀況，準確計算桿柱所受阻力是制定防偏磨措施的基礎。

2、通過初步現場實驗表明，采用柱塞上部接加重筒的方法是直接有效的防偏磨措施。

3、采用換輕質抽油桿的方法可彌補加重方法的不足。

4、綜合考慮其它措施降低桿柱在粘彈性流體中的阻力，對防偏磨措施進行優化設計是今后努力的方向。